一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置制造方法
【专利摘要】一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，是一种采用平行平晶扫描方法解决激光束的自准直问题，同时对环境光进行自适应处理；利用边界检测算法来解决边界信号的采集和边界检测的实现，对信号的处理更为科学，采集的信号更灵敏、有效的激光测径装置。最后对实验数据采用刀口标定RBF拟合法对数据进行处理，实验精度极大提高，误差范围缩小在±2μm内。本实用新型在一般光学实验室条件下就能搭建，能够实现高精度测径，具有自准直、系统成本低，测量精度高、误差范围小等特点。
【专利说明】一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种测量固件直径的装置，特别是利用一种新手段新技术测量高 精度测量固件直径的装置，属于光学测量领域。
【背景技术】
[0002] 轴类工件直径测量是最基本的尺寸测量任务之一，常见的接触式测量设备包括三 坐标测量机和圆柱度仪，经过实验研宄分析，接触式测量效率低，难以实现在线测量；常见 的非接触测量方法包括投影法衍射法和激光扫描法，后者在工件外形尺寸测量中应用较为 广泛，且采用基于反射原理的方法居多，如依赖电机匀速转动的转镜扫描测量系统、适合较 大径向尺寸测量的抛物面反射式测量系统、转镜反射面关于旋转中心呈非对称设计的差动 式测量系统，此类系统在安装时容易产生离焦现象；由两个扫描单元利用角度参数计算工 件直径的无扫描物镜测量系统涉及敏感环节较少，测量精度和稳定性较高，但是系统不易 扩展。
[0003] 激光扫描测径仪是一种基于光学技术、现代激光、计算机、精密机械等多学科技术 于一体的检测系统，它是用可见激光作为光源，把被测对象的几何尺寸经过扫描光学系统 和光电变换系统转变成电信号，再由计算机进行实时数据处理，给出测量结果。可以方便实 现在线检测工件的尺寸，具有高速度、高精度、非接触测量等特点，目前已被广泛应用于生 产领域。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用平晶作为激光扫描发射 器的核心元件以实现激光的出射与扫描；采用边界检测方法，提高信号边界检测的动态特 性和准确度，从而有效抑制原测量信号幅值漂移对测量结果的影响。本发明利用普通光学 透镜就能实现高精度测径，具有系统成本低，测量精度高且准确性高等特点。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0006] 本实用新型装置包括激光器、平行平晶、斩光盘、扫描电机、接收物镜、光电信号接 收和转换器件。
[0007] 所述的激光器是一种电激励式的红光半导体激光器，其运转方式为连续型激光 器，供电电压为3-5V直流电，输出功率范围为0. 4-5mW，发散角范围为0. 5-2mrad，激光器的 出射激光平行于水平面向左。
[0008] 所述的平行平晶是一种表面粗糙度数值和平面度误差都极小的玻璃平面，它的作 用主要是产生光波干涉条纹，测量直径范围为45-150mm，有效长度为200mm，其置于激光器 和斩光盘中间。
[0009] 所述的斩光盘置于激光光束束腰附近，通过扫面电机带动匀速旋转对激光束进行 调制，用来模拟激光束扫描待测工件所产生的扫描信号。
[0010] 所述的接收物镜可使扫描光束经过透镜后衍射光斑半径大小为〇. 2_左右，而硅 光电二极管的光敏面积一般为1mm2,与光电检测器件光敏面积尺寸匹配较好，可以保证边 界?目号提取的精确度。
[0011] 所述的光电信号接收和转换器件选用与接收物镜光敏面积匹配较好的硅光电二 极管，将其放置于接收物镜的焦点处，它的主要作用是将光信号转换成为电流信号。
[0012] 本实用新型中通过激光扫描测量工件厚度或直径，这是成熟技术。本发明的发明 点在于提供一种综合利用平晶作为激光扫描发射器的核心、环境光自适应算法以及刀口标 定RBF拟合的误差分析方法快捷有效的来消除光束能量变化缓慢的影响，抑制信号幅值的 漂移对测量结果的影响，有效改善边界的衍射问题，降低了重复误差对实验测量值的影响， 提高了测量精度。
[0013] 与现有技术相比，本实用新型的优点：
[0014] (1)采用平晶作为激光扫描发射器的核心元件，激光透射转动的平晶产生扫描光， 利用内建环境光自适应算法使之转化为高度平行的扫描光，通过平晶绕自身回转轴线的转 动，出射光便会沿垂直光轴方向移动从而实现扫描；平晶转动一周，出射光扫描两次，通过 两次扫描范围的差值便可大致估算出被测工件的直径。此方法安装调试简单、扫描光平行 度高，便于搭建；
[0015] (2)采用边界检测方法实现边界检测，对信号的处理更为科学，采集的信号更灵 敏、有效；测量结果更为准确剔除了扫描转镜局部转速非匀速问题，降低了抖动误差；
[0016] (3)采用刀口标定RBF拟合法对数据进行标定拟合，可以实现误差的均方根分析， 多次测量后重复误差大幅降低，测量精度随之提高；
[0017] (4)设备对光学器件要求不高，成本不高，一般实验室条件下就能搭建；
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本实用新型的结构示意图。
[0019] 图2为本实用新型边界微分信号检测原理图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明。
[0021] 如图1所示，一种用于测量工件的直径或厚度的平晶扫描测径包括激光器1、平行 平晶2、斩光盘3、扫描电机4、被测工件5、接收物镜6、光电信号接收和转换器件7、边界检 测8、FPGA模块9。图中实线为具体光路、点划线为主光轴、虚线为对齐线，箭头为流程。
[0022] 激光器发出的激光束经过平行平晶后，保持入射光束与光轴重合，平晶绕自身回 转轴线转动，通过电脑进行自适应算法拟合计算，得出高度平行的扫描光，出射光沿垂直光 轴的方向移动从而实现扫描；斩光盘置于激光束束腰附近，通过扫描电机带动匀速旋转对 激光束进行调制，以此来模拟激光束扫描待测工件所产生的扫描信号，硅光电二极管收到 的扫描光信号受到被测物直径大小的调制，经ι/v转换边缘检测放大整形之后成为与被测 直径、电机转速及测量范围有关的方波信号，通过对输出的方波信号进行边界检测，边界检 测后输出一个与光信号宽度相对应的矩形待测信号，将该信号送入FPGA处理模块，根据处 理后的信电平跳变情况以及时间与转动角度的比例关系将所得时间量换算成入射角度，最 终实现直径测量。
[0023] 如图2所示，其为边界微分信号检测电路的原理图，激光扫描光束扫描待测工件 边缘时，光信号经过光电转换为电信号，描光束在传播方向上呈高斯分布。扫描光束的光强 度可以表示为：
[0024]
【权利要求】
1. 一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置包括激光器、平行平晶、斩光盘、扫 描电机、接收物镜、光电信号接收和转换器件、边界检测和FPGA处理模块；所述的激光器是 一种电激励式的红光半导体激光器；所述的平行平晶是一种表面粗糙度数值和平面度误差 都极小的玻璃平面，它的作用主要是产生光波干涉条纹，测量直径范围为45-150mm，有效长 度为200_，其置于激光器和斩光盘中间；所述的斩光盘置于激光光束束腰附近，通过扫面 电机带动匀速旋转对激光束进行调制，用来模拟激光束扫描待测工件所产生的扫描信号； 所述的接收物镜可使扫描光束经过透镜后衍射光斑半径大小为〇. 2mm左右；所述的光电信 号接收和转换器件选用与接收物镜光敏面积匹配较好的硅光电二极管，将其放置于接收物 镜的焦点处，它的主要作用是将光信号转换成为电流信号。
2. 根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在 于：所述的激光束对环境光有自适应功能。
3. 根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在 于：所述的光电探测器的扫描信号经过边界检测模块后信号的灵敏度与标准电平法相比增 大四倍。
4. 根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在 于：所述的测量误差可限制在±2 ym范围内。
5. 根据权利要求1所述的一种基于平晶扫描的环境光自适应激光测径装置，其特征在 于：所述的斩光盘离开光束束腰位置时检出结果的最大相对误差为〇. 48%。
【文档编号】G01B11/08GK204255301SQ201420528652
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】沈洋, 陈亮, 周占春, 苏玲爱, 徐珍宝, 董艳燕, 张淑琴 申请人:中国计量学院